韓聰慧，席小康，朱永華

氣候變化和人類活動對西拉木倫河徑流的影響

韓聰慧1，席小康2*，朱永華3

（1.赤峰市水文勘測局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.陜西省水文水資源勘測中心，西安 710068；3.延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000）

【】定量識別氣候變化和人類活動對西拉木倫河流域徑流變化的影響程度。以西拉木倫河流域為研究對象，基于該流域1958―2015年氣象水文資料，采用皮爾遜相關(guān)分析、逐步多元回歸分析、雙累積曲線、累積距平、SCRCQ方法，揭示引起流域徑流變化的主導(dǎo)因素，量化氣候變化與人類活動對流域徑流的影響程度。年徑流的變化最主要受到夏季降水的影響，其次是夏季平均氣溫。T1（1972―1981年）、T2（1982―1997年）、T3（1998―2015年）階段降水對徑流變化的影響程度分別為0.26%、17.51%、26.13%；人類活動對徑流變化的影響程度分別為99.74%、82.49%、73.88%；各階段徑流的變化主要是由人類活動導(dǎo)致，但隨著時間推移，降水對徑流的影響作用增強，人類活動減弱。

西拉木倫河；流域；氣候變化；人類活動；徑流

0 引言

【研究意義】氣候變化和人類活動對徑流的影響復(fù)雜，定量研究特殊氣候環(huán)境下西拉木倫河流域徑流對氣候變化和人類活動的響應(yīng)程度，可為該流域水資源合理開發(fā)利用、地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、水資源保護、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)?！狙芯窟M展】氣候變化和人類活動對徑流影響的貢獻率因地而異，對徑流的影響主要表現(xiàn)為3種形式。第1種，氣候變化是影響徑流變化的主要因素，而人類活動對徑流的影響較小，例如：Lahmer等[1]對濕潤地區(qū)的徑流量變化的研究；Ma等[2]認(rèn)為氣候變化對西北干旱地區(qū)石羊河流域年徑流變化起到64%的作用。第2種，人類活動對徑流變化的貢獻率大于氣候變化，例如，Raymond等[3]對密西西比河的研究表明，影響徑流變化的主導(dǎo)因素是人類活動；Wang等[4]對海河流域的研究表明，人類活動對徑流的貢獻率大于50%。第3種，不同時期不同區(qū)域影響徑流變化的主導(dǎo)因素不同。如Zhang等[5]對中國九大流域研究表明，濕潤地區(qū)徑流量和降雨量具有較為穩(wěn)定的關(guān)系，而在干旱和半干旱地區(qū)徑流量和降水量之間不具有穩(wěn)定的關(guān)系，此外，北方海河、黃河和松遼流域徑流量下降主要是因為用水量的增加，而內(nèi)流河流域徑流量減少則主要是因為用水量和潛在蒸發(fā)量的增加；李新等[6]認(rèn)為人類活動的作用使得塔里木河流域的徑流變化規(guī)律復(fù)雜化。

目前大多數(shù)研究將氣候變化和人類活動對徑流的影響作為單獨因素進行分析，主要采用水文模型法和數(shù)理統(tǒng)計法針對氣候變化和人類活動對徑流的影響進行研究。到目前為止，經(jīng)驗統(tǒng)計法及彈性系數(shù)法被廣泛應(yīng)用于氣候變化和人類活動對徑流影響的定量研究[7]。WER-L、AVSWAT、SWAT、SIMHYD、VIC、MIKESHE等一系列分布式或半分布式水文模型在氣候變化與人類活動對徑流的影響研究中得到廣泛應(yīng)用，研究成果表明，氣候變化與人類活動是影響徑流變化的主要因素，但年尺度與季節(jié)尺度主要影響因素不同[8-11]。相比于水文模型，數(shù)理計算法、線性分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、基于彈性分析、累積曲線等方法更為簡單直白。侯欽磊等[12]采用降水與徑流雙累積曲線法對渭河流域近1960—2009年的徑流研究發(fā)現(xiàn)，徑流變化受人類活動和氣候變化的共同影響，但人類活動對徑流減少的貢獻大于降水，楊倩等[13]采用7種基于Budyko理論的彈性系數(shù)法定量分析了漢江上游氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率。

【切入點】人類活動與氣候變化對流域產(chǎn)匯流及水文循環(huán)過程的干擾加劇，對水資源量產(chǎn)生重大影響[14]。氣候變化通過降水和蒸發(fā)等水文過程直接影響著徑流變化，而人類活動主要是通過改變流域下墊面情況，進而影響流域產(chǎn)匯流過程，從而導(dǎo)致徑流變化，影響水資源配置[15-17]，定量解析氣候變化和人類活動對西拉木倫河徑流的影響鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用多元線性回歸法識別影響年徑流變化的主要氣象因子，通過雙累計曲線法與累計距平法對徑流變化階段進行劃分，并采用SCRCQ法定量分析各階段氣候變化和人類活動對徑流變化的影響程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西拉木倫河（圖1）是西遼河的最大支流，全長約397 km，全流域面積32 539.13 km2，發(fā)源于克什克騰旗白岔山，流域地形地貌條件較為復(fù)雜，上游主要地貌為高原平原、洼地和山前丘陵，中下游為西遼河平原，海拔在300 m以下，地貌類型以固定沙丘與半固定沙丘為主。臺河口水文站位于西拉木倫河下游，1954年建站，控制流域面積為28 951 km2，多年平均徑流量為6.04×108m3，徑流深為21 mm，流域徑流年內(nèi)分布不均，徑流量主要集中在夏季，流域主要水利工程有海日蘇、臺河口等大中型水利工程。

圖1 研究區(qū)位置

西拉木倫河流域氣候?qū)儆跍貛О霛駶櫄夂?，冬季漫長，春季干旱多風(fēng)，夏季少雨干旱，蒸發(fā)量遠遠大于水分補給量，水土流失與草地荒漠化較為嚴(yán)重，流域多年平均氣溫5.41 ℃，7月氣溫最高，1月氣溫最低。年均降水量為359.97 mm，全年降水量主要集中在6—9月，占全年降水量的89%，其他月份僅占10%左右。其中，7月最多占全年降水量的31%，1月降水占全年比重最小，僅0.35%。地表水和地下水主要受大氣降水的補給。積雪期120～150 d，最大積雪深度10～40 cm，積雪是冬季放牧的供水來源，年均風(fēng)速為3.4～4.5 m/s之間。

1.2 數(shù)據(jù)來源

從中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲取了西拉木倫河流域內(nèi)及其周邊共6個站1958—2015年日值氣溫和降水資料（圖1），徑流數(shù)據(jù)為臺河口水文站1958—2015年實測徑流數(shù)據(jù)。臺河口水文站位于西拉木倫河流域下游，其坐標(biāo)為43.38° N，120.43° E。

1.3 研究方法

采用皮爾遜相關(guān)分析、逐步多元回歸分析識別影響徑流變化的環(huán)境因子，揭示引起流域徑流變化的主導(dǎo)因素。采用SCRAQ法量化氣候變化與人類活動對流域徑流的影響程度。SCRAQ[18]是在通過雙累積曲線識別徑流開始突變年份的基礎(chǔ)上，將徑流時間序列劃分為人類活動微弱時期（基準(zhǔn)期）和人類活動時期；通過繪制不同時期以時間為自變量，徑流、降水、蒸發(fā)等的累積量為因變量的累積曲線圖，確定各時間段徑流量、降水量、蒸發(fā)量的斜率，并計算同一因子不同時期的斜率變化率，從而確定氣候變化和人類活動對徑流的影響率。假設(shè)在突變年份前后累積徑流線性曲線的斜率分別為S1和S2；累積降水線性曲線的斜率分別為S1和S2，則降水對徑流量變化的貢獻率C計算式[19]為：

若不考慮蒸發(fā)對徑流變化的影響，則在求得上述氣候因子的貢獻率后，根據(jù)水量平衡原理，人類活動對徑流變化的貢獻程度C可表示為：

C=100-C。 （2）

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素對徑流的影響

2.1.1 徑流與氣象因子變化特征

通過5 a滑動平均和線性回歸分析法對1958—2015年徑流量、年降水量、年均氣溫分析可知（圖2—圖4），1958—1983年徑流量呈降趨勢，1983—1995年年徑流量處于有增有減的波動變化趨勢中，從1995—2015年徑流呈明顯地減少趨勢。從1958—2015年時間序列來看，年徑流量呈下降趨勢，減少率為4 mm/10 a，即每10 a減少4 mm左右，經(jīng)Daniel檢驗，=-0.593，=0＜0.01，西拉木倫河流域年徑流量呈極顯著下降趨勢。

年降水量呈下降趨勢，減少率為8.24 mm/10 a，經(jīng)Daniel檢驗，=-0.173，=0.193>0.05，西拉木倫河流域年降水量呈下降趨勢，但不明顯。

年均氣溫呈上升趨勢，上升率為0.32 ℃/10 a，經(jīng)Daniel檢驗，=0.69，=0＜0.01西拉木倫河流域年均氣溫呈極顯著上升趨勢。

圖2 年徑流變化趨勢

圖3 年降水量變化趨勢

圖4 年均氣溫變化趨勢

2.1.2 影響徑流變化的主要氣象因素

表1列出了西拉木倫河流域1958―2015年徑流量與年降水量、四季降水量、年均氣溫、四季平均氣溫等10個變量的相關(guān)系數(shù)。年徑流量與年降水量、夏季降水量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），而與春季、秋季、冬季降水量不存顯著相關(guān)關(guān)系（＞0.05）。與年均氣溫、夏季平均氣溫存在極顯著負相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與秋季平均氣溫存在顯著負相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與春季平均氣溫、冬季平均氣溫不存在顯著相關(guān)關(guān)系（＞0.05）。這表明年降水量、夏季降水量、年均氣溫、夏季平均氣溫、秋季平均氣溫是影響年徑流量的主要因素，其中年降水量與夏季降水量偏多則年徑流量偏多，而年平均氣溫、夏季平均氣溫、秋季平均氣溫越高則年徑流量越小。

年徑流量的變化受不同時間尺度降水、氣溫的共同影響，為了識別影響年徑流量的主導(dǎo)氣象因子，進一步采用多元逐步線性回歸的方法對年徑流量與各時間尺度降水、氣溫因素進行分析。根據(jù)表2年徑流量與氣象因子的逐步線性回歸結(jié)果可知，夏季降水量與夏季平均氣溫分別作為第一因子和第二因子被引入回歸模型，并且通過0.05顯著性水平檢驗，模型一自變量夏季降水量解釋了61%的年徑流量變化，模型二自變量夏季降水量與夏季平均氣溫累積解釋65.4%的年徑流變化。這表明，西拉木倫河年徑流的變化最主要受到流域夏季降水的影響，其次是夏季平均氣溫。降水的變化主要導(dǎo)致流域產(chǎn)流量的變化，從而影響徑流量，降水量越大產(chǎn)流量越大，徑流量也就越高，反之亦然。氣溫升高植被蒸散發(fā)和土壤蒸發(fā)作用加劇，蒸散發(fā)增加從而使得流域徑流量明顯減少。

表1 年徑流量與氣象因子的相關(guān)分析

注 *表示顯著相關(guān)（＜0.05），**表示極顯著相關(guān)（＜0.01）。

表2 年徑流量與氣象因子的逐步線性回歸結(jié)果

2.2 氣候變化和人類活動對徑流量影響的定量解析

2.2.1 研究階段的劃分

圖5為西拉木倫河流域降水-徑流的雙累積曲線。由圖5可知，西拉木倫河流域從1971年以后降水-徑流雙累曲線發(fā)生了較為明顯的偏移，偏移時間范圍分別為1972—1981、1982—1997、1998—2015年，拐點年份分別為1972、1982、1998年。從各階段線性擬合曲線來看，2均達到0.952以上（＜0.001）。在降水徑流雙累積曲線偏移的第一個時段（1958—1971）2達到0.987，相關(guān)程度極高，而在1971年以前西拉木倫河流域人類活動較弱，上游擔(dān)負著海日蘇草原灌區(qū)供水任務(wù)的海日蘇水利工程于1978年完工，臺河口水利樞紐于1991年建成，均在1972年以后，對1972年以前流域徑流變化的影響較小，故而將1958—1971年作為流域徑流主要受氣候變化影響而受人類活動極弱的基準(zhǔn)期，將1972—1981、1982—1997、1998—2015年3個時期作為受氣候變化和人類活動共同作用時期。

圖5 西拉木倫河流域降水-徑流的雙累積曲線

圖6 西拉木倫河年徑流序列累積距平曲線

從圖6、圖7徑流與降水的累積距平曲線分析可知，西拉木河流域在整個時間序列的年徑流與年降水各時間段變化趨勢與拐點年份具有相似的變化趨勢，1958—1971年徑流與年降水雖有波動但呈增加趨勢，1972—1981年下降，1982—1997年上升，1998—2015年下降。根據(jù)累積距平法劃分的研究階段與雙累積曲線法一致，表明上述研究階段劃分方法與劃分階段具有可靠性。

圖7 西拉木倫河年降水序列累積距平曲線

2.2.2 氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率

在氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率研究中，由于西拉木倫河流域缺乏持續(xù)長系列的蒸散量觀測數(shù)據(jù)，所以本文在分析氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率時，在不考慮流域潛在蒸散量的情況下分析了降水量和人類活動對徑流變化的貢獻率。采用SCRCQ法將降水量和其他影響因素（主要是人類活動）對徑流的影響總和定義為100%，降水量與人類活動對徑流的影響程度等于其在時間序列上的累積斜率變化率與徑流累積斜率變化率比值。

根據(jù)研究階段的劃分以及拐點年份的確定，在時間序列上對年流量與年降水量按1958—1971年（基準(zhǔn)期）、1972—1981年（T1）、1982—1997年（T2）、1998—2015年（T3）4個階段進行線性擬合如圖8、圖9所示。

圖8 年份與累積徑流量關(guān)系

圖9 年份與累積降水量關(guān)系

由圖8、圖9可知，擬合曲線決定系數(shù)2均大于0.96（＜0.001），根據(jù)SCRCQ法相關(guān)要素獲取依據(jù)，以1958—1971年為基準(zhǔn)期，之后T1、T2、T3各時期變化量與變化率均以基準(zhǔn)期為依據(jù)，小于0表示趨勢減小，反之增加。各時期年份與徑流量、降水量的斜率如表3所示。對于徑流，基準(zhǔn)期為28.19，T1為16.59，T2為29.16，T3為7.57；對于降水量，基準(zhǔn)期為361.15，T1為360.77，T2為389.34，T3為317.09。與基準(zhǔn)期相比，T1徑流減少了41.15%、降水量幾乎沒有變化；T2徑流增加了3.44%、降水量增加了7.81%；T3徑流量減少了76.58%、降水量減少12.20%。

表3 各時段累積量變化量

根據(jù)徑流量與降水量累積量斜率變化率定量估算降水量與人類活動影響在各階段對徑流變化的貢獻率（表4）。T1、T2、T3階段降水對徑流變化的影響程度分別為0.26%、17.51%、26.13%。T1、T2、T3階段人類活動對徑流變化的影響程度為99.74%、82.49%、73.88%。T1階段相對于基準(zhǔn)期徑流下降，而徑流的減少主要是人類活動導(dǎo)致，該階段建成了擔(dān)負海日蘇草原灌區(qū)供水任務(wù)的海日蘇水利工程，氣候變化影響較小。T2階段相對于基準(zhǔn)期徑流上升主要是由于降水量的增加，加之大量環(huán)境保護措施的實施導(dǎo)致下墊面條件改善，徑流量增加；T3階段相對于基準(zhǔn)期徑流下降，降水量的減少作用增強，但人類活動仍然占主導(dǎo)作用，該時期社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市大面積擴張，工業(yè)化進程加快，煤礦開發(fā)力度加大造成徑流量的削減。綜上所述，各階段徑流的變化主要是由人類活動導(dǎo)致，但隨著時間推移，降水對徑流的影響作用增強。

表4 各階段氣候變化和人類活動對徑流的貢獻率

3 討論

前人對于干旱半干旱地區(qū)徑流量變化的影響因素已做了大量研究，但對西拉木倫河流域相關(guān)研究未見報道，根據(jù)累積距平法與雙累積曲線法認(rèn)為拐點年份分別為1972、1982、1998年，這與王威娜等[20]對地理位置相近的錫林河流域研究認(rèn)為降雨與徑流關(guān)系在1998年出現(xiàn)突變的結(jié)論是一致的，區(qū)別在于本文進行了更為細致的降雨徑流關(guān)系階段劃分，找出了1972、1982、1998年3個突變點，研究原因認(rèn)為一是研究系列資料長度不一致，二是相似流域人類活動程度不同，西拉木倫河流域各階段徑流變化主要是由人類活動導(dǎo)致，這與焦瑋等[21]關(guān)于錫林河流域徑流減少的主要原因是人類活動導(dǎo)致是一致的。T1（1972—1981年）、T2（1982—1997年）、T3（1998—2015年）3個時期作為徑流受氣候變化和人類活動共同作用時期，T1階段相對于基準(zhǔn)期徑流下降主要是人類活動導(dǎo)致，T2階段相對于基準(zhǔn)期徑流上升主要以人類活動影響為主，降水量的增加為輔；T3階段相對于基準(zhǔn)期徑流下降，雖受降水量的影響作用增強，但人類活動影響仍然占主導(dǎo)作用。雖然各階段徑流的變化主要是由人類活動導(dǎo)致，但隨著時間推移，降水對徑流的影響作用增強。目前，氣候變化越來越成為研究熱點，而區(qū)域氣候變化對徑流變化的機制分析，以及對未來氣候變化趨勢預(yù)測的研究更是研究的重點以及難點。一個地區(qū)徑流變化的影響因子眾多，影響過程復(fù)雜，僅僅通過簡單分析，很難對一個區(qū)域的氣候變化與徑流特征及其未來變化趨勢做出準(zhǔn)確的判斷。

4 結(jié)論

1）年降水量、夏季降水量、年平均氣溫、夏季平均氣溫、秋季平均氣溫是影響年徑流量的主要因素。年徑流的變化最主要受到流域夏季降水的影響，其次是夏季平均氣溫。

2）1958—1971年是徑流主要受氣候變化影響而受人類活動極弱時期，1972—1981、1982—1997、1998—2015年3個時期為受氣候變化和人類活動共同作用時期。

3）相對于基準(zhǔn)期（1958―1971年），T1（1972―1981年）、T2（1982―1997年）、T3（1998―2015年）階段降水對徑流變化的影響程度分別為0.26%、17.51%、26.13%，人類活動對徑流變化的影響程度分別為99.74%、82.49%、73.88%。

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The Impacts of Climate Change and Anthropogenic Activities on the Runoff of Xilamulun River

HAN Conghui1, XI Xiaokang2*, ZHU Yonghua3

(1.Chifeng Hydrology Survey Bureau, Chifeng 024000, China;2. Shaanxi Hydrological and Water Resources Survey Center, Xi’an 710068, China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Yan’an University, Yan’an 716000, China)

【】The average global temperature has risen by 0.74 ℃ over the last century, which has alerted the global hydrological cycle with extreme weather events occurring more frequently. This, together with anthropogenic activities, has affected the runoffs of most catchments and led to soil degradation and deterioration. Understanding the change in runoff of a river in response to climate change and anthropogenic activity is hence critical to mitigating their detrimental impacts. Taking Xilamulun River basin as an example, this paper is to identify the environmental factors underlying its runoff change.【】The analysis was based on meteorological and hydrological data measured from 1958 to 2015 across the basin. The factors that affected the runoff changes in the basin were calculated using Pearson correlation analysis, stepwise multiple regression, double cumulative curve, cumulative anomaly and SCRCQ method.【】Both runoff and precipitation in the basin had been in decline at decadal rates of 4 mm/10 a and 8.24 mm/10 a respectively, while the annual average temperature has been rising at an average decadal rate of 0.32 ℃/10 a. Annual average temperature, average summer temperature, average autumn temperature and annual runoff were all closely correlated. The annual runoff was affected by rainfall in summer the most, followed by the average temperature in summer. There was a correlation between precipitation and runoff after 1971, and the significance of the correlation endured reflection changes in 1972, 1982, and 1998, respectively. The contribution of the precipitation to runoff has been in decline and was 0.26%, 17.51% and 26.13%, respectively, in 1972—1981, 1982—1997, and 1998—2015, while during the same periods the associated contribution of human activities to the runoff changes was 99.74%, 82.49% and 73.88% respectively. 【】Anthropogenic activities affected the runoff change in Xilamulun river the most from 1985 to 2015, but its influence has been waning compared to that of climate change.

Xilamulun river basin; climate change; human activities; runoff

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P333

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020507

1672 – 3317（2021）09 - 0134 - 07

2020-09-11

延安大學(xué)校級博士研究啟動項目（YDBK2017-19，YDBK2019-35，YDBK2019-36）

韓聰慧（1985-），女，內(nèi)蒙古滿洲里人。助理工程師，主要從事水文水資源工作。E-mail: 736407316@qq.com

席小康（1991-），男，陜西漢中人。工程師，碩士，主要從事水情預(yù)警預(yù)報工作。E-mail: 354925114@qq.com

責(zé)任編輯：陸紅飛